[發明專利]一種基于頻控陣波束賦形的物理層安全通信方法

有效

• 申請號: 201611191654.2
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106656293B
• 公開（公告）日: 2020-07-28
• 發明（設計）人: 林靜然;楊金泰;利強
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H04B7/06
• 分類號: H04B7/06;H04W12/02
• 代理公司: 成都正華專利代理事務所(普通合伙) 51229
• 代理人: 李蕊;李林合

本發明涉及一種基于頻控陣波束賦形的物理層安全通信方法，包括步驟：(1)設置初始化參數；(2)根據初始化參數，計算在一定頻率偏移范圍約束下的最優頻率偏移，得到天線發射頻率向量；(3)根據所述天線發射頻率向量，利用矩陣分解技術計算最優的陣列傳輸波束向量，并計算系統的安全速率。本發明采用任意頻率偏移方案，即僅規定每根天線的頻率偏移范圍，而不對天線間頻率偏移的變化規律進行限制，相對于線性遞增頻率偏移策略而言，本發明提出的頻率偏移策略更加靈活，即使在非常有限的頻偏范圍內也能達到很好的安全通信性能。

技術領域

本發明涉及保密通信領域，與傳統的基于加密和編碼的方案不同，本發明使用基于頻控陣波束賦形的物理層安全通信方法來優化同一傳輸方向，不同傳輸距離上的用戶與竊聽者間的安全傳輸速率。

背景技術

物理層安全技術作為保障無線通信安全的有效手段獲得了越來越多的關注與研究。與傳統的通過編碼和加密技術來保證通信安全的策略不同，物理層安全技術利用物理層的方法，通過優化目標用戶與竊聽者之間的傳輸速率差(即安全速率)來保證通信安全。

目前，提高安全速率的常用方法包括人工噪聲法和波束成形法等。但是，這些傳統方法都基于一個重要的假設，即目標用戶和竊聽者兩者的信道狀態信息無關。但是，在新一代毫米波通信系統中，由于毫米波具有方向性傳播的特點，當目標用戶和竊聽者傳輸方向對齊的時候，信道不相關的假設一般很難成立，導致波束成形、人工噪聲等傳統方法失效。

在頻控陣通信技術中，通過對各天線的載波頻率施加頻率偏移，使得陣列傳輸波束具有距離分辨能力，從而能夠區分位于同一傳輸方向不同傳輸距離的目標用戶和竊聽者，彌補傳統物理層通信安全方法(如波束形成和人工噪聲等)的局限性。

目前，有人采用基于線性遞增頻率偏移策略的頻控陣安全通信方法，陣列各天線采用線性遞增頻率偏移策略，并通過聯合優化頻率偏移參數和傳輸波束來實現安全速率的最大化。該線性遞增頻率偏移策略可以達到安全速率的理論最優值，但同時也存在一定的局限。例如，為了避免發生目標響應的頻率去相關效應，一般會限制各天線傳輸頻率偏差的上限值。而在線性遞增頻率偏移方案中，相鄰天線間的最優頻率偏移值與目標用戶及竊聽者的傳輸距離差成反比。那么，當目標用戶與竊聽者距離很近時，相鄰天線間的頻率偏移值較大，則線性遞增頻率偏移的累計值就可能超過陣列容忍的頻率偏移上限，從而無法達到預期的效果，影響物理層安全的性能。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種在任意頻率偏移策略下，聯合優化各天線頻率偏移和傳輸波束的方法。

本發明解決上述技術問題的技術方案如下：

一種基于頻控陣波束賦形的物理層安全通信方法，包括步驟：

(1)設置初始化參數；

(2)根據初始化參數，計算在預先設定頻率偏移范圍約束下的最優頻率偏移，以得到天線發射頻率向量；

(3)根據所述天線發射頻率向量，利用矩陣分解技術計算最優陣列傳輸波束向量，并計算系統的安全速率。

本發明的有益效果是：

1.本發明提出任意頻率偏移的方案，使得頻率偏移設置更加靈活，即使在非常有限的頻率偏移范圍內也能達到很好的安全通信性能；

2.在目標用戶與竊聽者距離足夠近的情況下，傳統線性遞增頻率偏移方案在一定的頻率偏移范圍約束下無法達到預期的安全速率，影響物理層安全的性能，本發明通過優化并設定每一根天線的頻率，可以較好地解決此類問題；

3.本發明使用聯合優化各天線頻率偏移和傳輸波束的方法，對天線傳輸波束進一步優化，可以進一步提高系統的安全速率。

在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。